化工原理(下册)ppt第二版天津大学出版社

1、武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件第五章第五章 蒸蒸 馏馏 Distillation武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.1 概 述化工过程中步骤很多化工过程中步骤很多,这些步骤可分为两这些步骤可分为两类类: v以进行化学反应为主以进行化学反应为主,通常在反应器中进通常在反应器中进行行.v物理性操作物理性操作 单元操作单元操作武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件单元操作单元操作 流体力学：沉降、过滤、离心分离等流体力学：沉降、过滤、离心分离等分离非均相混合物分离非均相混合物传热：传热：传质：吸收、脱吸、精馏、萃取、干燥、传质：吸收

2、、脱吸、精馏、萃取、干燥、吸附、结晶等吸附、结晶等分离操作分离操作非均相混合物非均相混合物均相混合物均相混合物传质设备传质设备武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 一、化工生产中的传质过程一、化工生产中的传质过程 均相混合物的分离过程均相混合物的分离过程1. 均相物系的分离均相物系的分离混合物可分为非均相物系和均相物系混合物可分为非均相物系和均相物系。 非均相物系的分离前面已经讲过；非均相物系的分离前面已经讲过； 均相物系的均相物系的分离条件分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间是必须造成一个两相物系，然后依据物系中不同组分间某种物性的差某种物性的差异异，

3、使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。，使其中某个组分或某些组分从一相向另一相转移，以达到分离的目的。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件均相物系分离的特点均相物系分离的特点v引入第二个相，并使两组分在第二引入第二个相，并使两组分在第二个相中存在不均匀分配。个相中存在不均匀分配。v相际传质（物质从一相通过相界面相际传质（物质从一相通过相界面进入另一相）进入另一相）武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件分离的目的：分离的目的：v 浓缩：除去溶剂；浓缩：除去溶剂；v 纯化：除去杂质；纯化：除去杂质；v分离：将混合物分成两种或多种目的产物

4、；分离：将混合物分成两种或多种目的产物；v反应促进：把化学反应或生化反应的产物连反应促进：把化学反应或生化反应的产物连续取出，以提高反应速率。续取出，以提高反应速率。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件以相际传质为特征的单元操作以相际传质为特征的单元操作常见的有：常见的有：v吸收吸收气体混合物的分离。气体混合物的分离。物质由气相转入液相物质由气相转入液相气相气相B+A液相液相S+AAA脱吸脱吸吸收吸收逆过程逆过程脱吸脱吸武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件v气体的减湿气体的减湿吸收的一种特殊情况。吸收的一种特殊情况。为水蒸气所饱和的气体与冷水接触，水蒸为

5、水蒸气所饱和的气体与冷水接触，水蒸气则从气相转入液相，传质只在气相中进行。气则从气相转入液相，传质只在气相中进行。逆过程逆过程气相气相B+A液相（水相）液相（水相）A（水）（水）A减湿减湿增湿增湿A增湿增湿武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件v液液萃取（萃取）液液萃取（萃取）混合液的分离，混合液的分离，物质从一液相转入另一液相物质从一液相转入另一液相液相液相B+A液相液相S+AA萃取萃取A萃取萃取逆过程逆过程萃取萃取武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件v固液萃取（浸沥或浸取）固液萃取（浸沥或浸取） 属多相系的分离属多相系的分离 物质固相表面或内部转入液相

6、。物质固相表面或内部转入液相。固相固相B+A液相液相S+A浸沥浸沥A武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件v结晶结晶溶质从液相趋附于溶质晶体的表面转溶质从液相趋附于溶质晶体的表面转为固相，使晶体长大。为固相，使晶体长大。 溶解溶解液相液相S+A固相固相AA结晶结晶溶解溶解A逆过程逆过程武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件v吸附吸附物质从气相或液相趋附于固体表面物质从气相或液相趋附于固体表面（多为多孔性固体的内表面）（多为多孔性固体的内表面）脱附脱附气相或液相气相或液相 B+A固相固相CA吸附吸附脱附脱附A逆过程逆过程武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学

7、化工原理电子课件v干燥干燥液体（水）经过汽化，从固体表面或液体（水）经过汽化，从固体表面或内部转入气相，属多相系分离内部转入气相，属多相系分离。固相固相B+A气相气相C+A干燥干燥A武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件v精馏精馏液体混合物的分离液体混合物的分离不同物质在汽液两相间相互转移。不同物质在汽液两相间相互转移。液相液相A+B汽相汽相A+BAB精馏精馏武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件3.相际传质与传热的相似和区别相际传质与传热的相似和区别相似相似：区别区别：传递量传递量极限极限（最终的平衡状态）（最终的平衡状态）推动力推动力传热传热热量热量Q热

8、平衡热平衡 T=tt=T-t传质传质质量质量m相平衡相平衡C武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件二、相组成的表示法二、相组成的表示法.质量分率和摩尔分率质量分率和摩尔分率质量分率质量分率ai：均相混合物中某组分质量占总质量的分：均相混合物中某组分质量占总质量的分率或百分率。率或百分率。 ai 摩尔分率摩尔分率xi 、yi：某组分摩尔数占总摩尔数的分率或百：某组分摩尔数占总摩尔数的分率或百分率。分率。 xi yi 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件2.质量比和摩尔比：常用于双组分物系质量比和摩尔比：常用于双组分物系质量比质量比：a= m A/mB摩尔比摩

9、尔比：X= n A/nB Y= n A/nB换算换算 a =a1 - aa =a1 + aX =x1 - xX =X1+X武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件3.浓度：单位体积中的物质量浓度：单位体积中的物质量质量浓度：质量浓度： cA= 摩尔浓度：摩尔浓度： CA=(体积浓度）体积浓度） 质量质量摩尔量摩尔量mAVnAVkg/m3kmol/m3武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件质量浓度与质量分率的关系：质量浓度与质量分率的关系：AAac 摩尔浓度与摩尔分率的关系：摩尔浓度与摩尔分率的关系：CxCAAC混合物在液相中的总摩尔浓度，混合物在液相中的总摩尔

10、浓度， kmol/m3； 混合物液相的密度，混合物液相的密度，kg/m3。 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件4 4气体总压与理想气体中组分的分压气体总压与理想气体中组分的分压总压与某组分的分压之间的关系总压与某组分的分压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系摩尔比与分压之间的关系:AAAYppp摩尔浓度与分压之间的关系摩尔浓度与分压之间的关系:RTpVncAAApA = PyA武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件三、传质设备简介三、传质设备简介1. 对传质设备的要求（设计原则）：对传质设备的要求（设计原则）：v给传质的两相（或多相）提供良好的接触机给传质

11、的两相（或多相）提供良好的接触机会，包括增大相界面积和增强湍动程度。会，包括增大相界面积和增强湍动程度。v两相在接触后能分离完全。两相在接触后能分离完全。v结构简单、紧凑，操作便利，稳定，运转可结构简单、紧凑，操作便利，稳定，运转可靠，周期长，能量消耗小等。靠，周期长，能量消耗小等。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件2. 填料塔和板式塔：填料塔和板式塔：v填料塔：填料塔：在填料塔内气液两相沿着塔高连续接触、传质，因而两在填料塔内气液两相沿着塔高连续接触、传质，因而两相的浓度也沿塔高连续变化。相的浓度也沿塔高连续变化。 连续接触式传质设备连续接触式传质设备v板式塔：板式塔：

12、在板式塔内气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，在板式塔内气流与液流依次在各层塔板上接触、传质，其浓度沿塔高呈阶跃式变化。其浓度沿塔高呈阶跃式变化。 逐级接触式传质设备逐级接触式传质设备武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件板式塔板式塔武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件拉西环拉西环鲍尔环鲍尔环阶梯环阶梯环 环环填料塔填料塔武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.2 蒸馏概述蒸馏概述1. 蒸馏原理：蒸馏原理： 蒸馏是蒸馏是利用液体混合物中各组分挥发度利用液体混合物中各组分挥发度的不

13、同实现分离的单元操作的不同实现分离的单元操作. . 沸点低的组分称为易挥发组分或轻组分，沸点低的组分称为易挥发组分或轻组分，高的为难挥发组分或重组分。高的为难挥发组分或重组分。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 2. 蒸馏分离的特点蒸馏分离的特点蒸馏操作需要消耗大量的能量，流程简单蒸馏操作需要消耗大量的能量，流程简单 蒸馏操作既可用于气体混合物的分离，也可用于液体混合物甚至是蒸馏操作既可用于气体混合物的分离，也可用于液体混合物甚至是固体混合物的分离固体混合物的分离蒸馏操作有时需要高压、高真空、高温或低温条件蒸馏操作有

14、时需要高压、高真空、高温或低温条件武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件3. 蒸馏过程的分类蒸馏过程的分类武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.1双组分溶液的气液相平衡双组分溶液的气液相平衡 5.1.1 双组分理想物系的气液平衡双组分理想物系的气液平衡5.1.2 双组分非理想物系的气液平衡双组分非理想物系的气液平衡武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.1 双组分溶液的气液平衡双组分溶液的气液平衡5.1.1 双组分理想物系的气液平衡双组分理想物系的气液平衡一、相律一、相律 在物理化学中，我们学习过相律，即：在物理化学中，我们学习过相律

15、，即：152CF式中式中 F自由度数；自由度数； C 独立组分数；独立组分数； 相数。相数。 对双组分的气液相平衡，由相律知其自由度数为对双组分的气液相平衡，由相律知其自由度数为2。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件二、双组分理想物系的气液平衡函数关系二、双组分理想物系的气液平衡函数关系 所谓所谓理想物系理想物系，即指液相为理想溶液，即指液相为理想溶液，遵循拉乌尔定律遵循拉乌尔定律；气相为理想气；气相为理想气体，遵循体，遵循道尔顿分压定律道尔顿分压定律。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件BBBxpp0理想溶液理想溶液是指溶液中不同组分的分子间作用力和

16、相同分子间的作用力完全相等的溶液。是指溶液中不同组分的分子间作用力和相同分子间的作用力完全相等的溶液。理想溶液各分子之间的牵制力相等，各组分的挥发性不受其理想溶液各分子之间的牵制力相等，各组分的挥发性不受其他组分存在的影响，它们在平衡气相中的分压仅由纯组分的饱和蒸气压及其在溶液中的他组分存在的影响，它们在平衡气相中的分压仅由纯组分的饱和蒸气压及其在溶液中的摩尔分率决定。摩尔分率决定。p=pA+pB 设设A-B是一对理想溶液体系，若在纯液体是一对理想溶液体系，若在纯液体A中逐渐加入较难挥发中逐渐加入较难挥发的液体的液体B形成形成A、B溶液，溶液，A的平衡分压（蒸汽压）的平衡分压（蒸汽压）pA仅仅

17、由于被仅仅由于被B的稀释而降低，则：的稀释而降低，则：AAAxpp0同理：同理：拉乌尔（拉乌尔（Raoult）定律）定律武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件拉乌尔定律：拉乌尔定律： 251000ABBBBAAAxpxppxpppA0、 pB0为溶液温度下纯组分为溶液温度下纯组分A和和B的饱和蒸气压的饱和蒸气压,可查有关手册或由下面安托因方程求得：可查有关手册或由下面安托因方程求得：35lg0TCBAp武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和：当溶液沸腾时，溶液上方的总压等于各组分的蒸气压之和： 由式由式5-

18、2和和5-4得：得： 45BAppP55000BABApppPx6500000BABAAAAApppPPpPxpPpy武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 相平衡常数相平衡常数 7500PpKPpKBBAA当总压不变时，相平衡常数当总压不变时，相平衡常数K并非常数，随温度变化并非常数，随温度变化85BBBAAAxKyxKy武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件三、双组分理想溶液的气液平衡相图三、双组分理想溶液的气液平衡相图1、 温度温度-组成（组成（t-x-y)图图 将不同温度下的将不同温度下的x xA、y yA绘在直角坐标系中得到绘在直角坐标系中得到T-

19、x x-y y图图图中各点和线的图中各点和线的物理意义物理意义：1）两端点分别代表纯组分）两端点分别代表纯组分A、B的沸点。的沸点。2）tx x线线称为泡点线称为泡点线 （也就是饱和液体线）。（也就是饱和液体线）。 tx x线以下，代表过冷液体（温度未达到沸点）。线以下，代表过冷液体（温度未达到沸点）。3）ty y称为露点线称为露点线 （也就是饱和蒸气线）（也就是饱和蒸气线）4）图中分为三个区）图中分为三个区 ： tx x以下，液相区以下，液相区 tx x线和线和 Ty y线之间，气液共存区线之间，气液共存区 ty y线以上，气相区线以上，气相区图图5-1 苯苯甲苯混合液的甲苯混合液的t-x-

20、y图图武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件1）t-x-y相图的说明相图的说明2）液体的加热过程）液体的加热过程 泡点泡点3）过热蒸汽的冷凝过程）过热蒸汽的冷凝过程 露点露点4）液体混合物的分离条件：）液体混合物的分离条件： 部分汽化或部分冷凝部分汽化或部分冷凝5）二元理想溶液与纯液体的不同：）二元理想溶液与纯液体的不同： 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件1）温度）温度t上升上升tE时时, 单一液相此时位于单一液相此时位于液相区液相区2）温度）温度t上升上升tF时时,开始沸腾产生气泡，此时位于开始沸腾产生气泡，此时位于tx线线称为称为泡点线泡点线3）温

21、度）温度t上升上升tG时时,有部分气化此时位于有部分气化此时位于气液共存区气液共存区4）温度）温度t上升上升tH时时,全部液体变成全部液体变成饱和蒸气饱和蒸气5）温度）温度t上升上升tI时时,过热蒸气此时位于过热蒸气此时位于气相区气相区含含40%A和和B的混合液体逐渐升温时各点、线的混合液体逐渐升温时各点、线的意义的意义 反过来，温度由反过来，温度由tI降至降至tH时，蒸气冷凝开始有液滴出现，时，蒸气冷凝开始有液滴出现，ty线称为线称为露点线露点线。20406080t（）8090100110 x x(y y)（%）IFEBGHT - x xAT - y y武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大

22、学化工原理电子课件图图5-2 苯苯甲苯混合液的甲苯混合液的x-y图图1、平衡线偏离对角线越远，溶液采用精馏法分离越容易。、平衡线偏离对角线越远，溶液采用精馏法分离越容易。2、若平衡线与对角线相交或相切，则溶液达到平衡时交点或切点处的两相组成完全相同，表示该溶液不能采、若平衡线与对角线相交或相切，则溶液达到平衡时交点或切点处的两相组成完全相同，表示该溶液不能采用普通精馏的方法来同时获得两个纯净组分。用普通精馏的方法来同时获得两个纯净组分。 气液平衡线上的任气液平衡线上的任一点均表示平衡时气一点均表示平衡时气相、液相的组成，但相、液相的组成，但是是不同的点对应的温不同的点对应的温度不同度不同，其组

23、成也各，其组成也各不相同。不相同。2、气液平衡图（、气液平衡图（xy图）图）武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件注意：注意： 上述的平衡曲线是在恒定的压强（总压为上述的平衡曲线是在恒定的压强（总压为1atm1atm）下测得的。对同一物系而言，混合液的平衡温度愈高下测得的。对同一物系而言，混合液的平衡温度愈高，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度，各组分间挥发度差异愈小，即相对挥发度愈小，愈小，因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高，因此蒸馏压强愈高，平衡温度随之升高，减小，分减小，分离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化离变得愈难，反之亦然。但实验也表明，在总压变化范围

24、为范围为20-30%20-30%下，下，x-yx-y平衡曲线变动不超过平衡曲线变动不超过2%2%，因此在，因此在总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可以忽略。总压变化不大时，外压对平衡曲线的影响可以忽略。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件四、挥发度和相对挥发度四、挥发度和相对挥发度1、挥发度：、挥发度： 对于纯液体：用其蒸气压表示挥发度。对于纯液体：用其蒸气压表示挥发度。 对于二元溶液：对于二元溶液： 对于理想溶液：对于理想溶液： vA = pAo vB = pBo 对于非理想溶液对于非理想溶液： vi pio AAAxpv 95BBBxpv武汉理工大学化工原理电子课件武

25、汉理工大学化工原理电子课件 105BBAABBAAxyxyxpxpBAvv对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：对双组分溶液，气相遵循道尔顿分压定律，则：11511xxy2. 相对挥发度：相对挥发度：上式称为上式称为气液相平衡方程气液相平衡方程。越大，分离越容易。越大，分离越容易。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.1.2 双组分非理想物系的气液平衡双组分非理想物系的气液平衡一、非理想物系一、非理想物系 化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。化工生产中遇到的物系大多为非理想物系。液相为非理想溶液，气相为理想气体液相为非理想溶液，气相为理想气体；液相为理想溶液，气相为

26、非理想气体；液相为理想溶液，气相为非理想气体；液相为非理想溶液，气相为非理想气体。液相为非理想溶液，气相为非理想气体。 非理想物系可能有以下几种情况：非理想物系可能有以下几种情况：武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件1 1、具有正偏差的非理想溶液、具有正偏差的非理想溶液产生正偏差的原因：产生正偏差的原因： 不同分子间的吸引力不同分子间的吸引力aAB小于相同分子间的吸引小于相同分子间的吸引力力aAA和和aBB。 当不同分子间的排斥倾向达到一定的程度时，当不同分子间的排斥倾向达到一定的程度时，就会出现最高蒸气压和相应的最低恒沸点，这就就会出现最高蒸气压和相应的最低恒沸点，这就是

27、所谓的是所谓的“共沸共沸”现象现象“共沸共沸”现象：现象：如：如：乙醇水溶液在乙醇水溶液在P=1atm下，当下，当x x=0.894时，点时，点M为最低恒沸点为最低恒沸点78.15武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件2、具有负偏差的非理想溶液、具有负偏差的非理想溶液产生负偏差的原因：产生负偏差的原因： 不同分子间的吸引力不同分子间的吸引力aAB大于相同分子间的吸引力大于相同分子间的吸引力aAA和和aBB。 当负偏差达到一定程度时，也会出现当负偏差达到一定程度时，也会出现“共沸共沸”现象，就会出现最低蒸气压和相应的最高现象，就会出现最低蒸气压和相应的最高恒沸点恒沸点如：如：硝

28、酸水溶液在硝酸水溶液在P=1atm下，当下，当x x=0.383时，点时，点M为最高恒沸点为最高恒沸点121.9武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件气液平衡数据来源气液平衡数据来源1、实验测定或从有关手册中查得、实验测定或从有关手册中查得2、由纯组分的某些物性按经验的或理论的公式估算、由纯组分的某些物性按经验的或理论的公式估算3、根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算、根据少量实验数据，由经验的或理论的公式估算武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件例例11 苯与甲苯的饱和蒸汽压和温度的关系如本题

29、附表所示。试苯与甲苯的饱和蒸汽压和温度的关系如本题附表所示。试利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯甲苯混合液在总压为利用拉乌尔定律和相对挥发度，分别计算苯甲苯混合液在总压为101.33kPa下的气液平衡数据，并做出温度组成图。该溶液可视下的气液平衡数据，并做出温度组成图。该溶液可视为理想溶液。为理想溶液。 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（1）利用拉乌尔定律）利用拉乌尔定律000101.3363.30.412155.763.3BABPpxpp0155.70.4120.633101.33ApyxP 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（2）利用相对挥

30、发度）利用相对挥发度00ABpp2.542.372.462m2.461 (1)1 1.46xxyxx 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件第第1讲小结讲小结1、蒸馏是分离均相液体混合物最广泛采用的单元操作。蒸馏分离的、蒸馏是分离均相液体混合物最广泛采用的单元操作。蒸馏分离的依据是混合液中组分挥发度的差异。依据是混合液中组分挥发度的差异。2、在恒压下，气、在恒压下，气液相平衡关系是液相平衡关系是t-x-y及及x-y关系。表示这些定量关系。表示这些定量关系的方程是泡点方程、露点方程与相平衡方程。或者采用直观的关系的方程是泡点方程、露点方程与相平衡方程。或者采用直观的t-x-y图

31、及图及x-y图。图。3、相对挥发度、相对挥发度数值大小可以说明物系采用蒸馏法进行分离的难易。数值大小可以说明物系采用蒸馏法进行分离的难易。越大，溶液越容易分离，反之则越难。而当越大，溶液越容易分离，反之则越难。而当l时，由于平衡气、时，由于平衡气、液相浓度相等，即液相浓度相等，即yx，则不能采用普通蒸馏法将此物系进行分离。则不能采用普通蒸馏法将此物系进行分离。4、非理想溶液起因于溶液中异种分子间与同种分子间的作用力不同，、非理想溶液起因于溶液中异种分子间与同种分子间的作用力不同，表现为平衡蒸汽压对表现为平衡蒸汽压对Raoult定律的偏差。其极端情况是具有最高或定律的偏差。其极端情况是具有最高或

32、最低恒沸点的溶液。在恒沸点组成下最低恒沸点的溶液。在恒沸点组成下yx，即即1，普通蒸馏法不普通蒸馏法不能越过此点。能越过此点。 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.2平衡蒸馏和简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏 5.2.1 平衡蒸馏平衡蒸馏5.2.2 简单蒸馏简单蒸馏平衡蒸馏和简单蒸馏均为单级蒸馏操作过平衡蒸馏和简单蒸馏均为单级蒸馏操作过 程，通常用于混合液程，通常用于混合液中各组分挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合。中各组分挥发度相差较大，对分离要求又不高的场合。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.2.1 平衡蒸馏平衡蒸馏平衡蒸馏装置平衡蒸馏装置

33、1、平衡蒸馏为稳定连续过程，生产、平衡蒸馏为稳定连续过程，生产能力大。能力大。 2、不能得到高纯度产品，只能作为、不能得到高纯度产品，只能作为粗略分离物料用，石油炼制和石油裂粗略分离物料用，石油炼制和石油裂解分离常采用平衡蒸馏。解分离常采用平衡蒸馏。图图5-4 平衡蒸馏装置平衡蒸馏装置武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件一、物料衡算一、物料衡算 总物料衡算：总物料衡算：F=D+W易挥发组分的衡算易挥发组分的衡算 联立式（联立式（5-12）和式（）和式（5-13）得）得：（5-12）（5-13）（5-14）武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 设液相产物设

34、液相产物W占总加料量占总加料量F的分率为的分率为q，q叫做叫做液化率液化率，其值，其值0q1 LL+F V V(c)气液混合物进料气液混合物进料 0q1 LLL+F V-FV V(e)过热蒸气进料过热蒸气进料 q0 LL V 1 LL+F VV(c)气液混合物进料 0q1 LLL+F V-FVV(e)过热蒸气进料 q0 LL VV-F(b)饱和液体进料 q=1 L=L+F V=V(d)饱和蒸气进料 q=0 L=L+F V=V-F武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.4双组分连续精馏计算（双组分连续精馏计算（） 5.4.4 理论板层数的计算理论板层数的计算 5.4.5 回流

35、比的影响及其选择回流比的影响及其选择5.4.6 捷算法求理论板层数捷算法求理论板层数武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.4.4 理论板层数的求法理论板层数的求法1、逐板计算法、逐板计算法V V、y1y1y1y1L L、xD DD D、xD Dx2x1xnyn+1yn+1y2y2nn+112F F、xF Fxn+1 对于稳定的双组分连续精馏，任一块理论塔板上气液两相经对于稳定的双组分连续精馏，任一块理论塔板上气液两相经过充分的传质、传热后，理论塔板上上升的蒸气组成与下降的液过充分的传质、传热后，理论塔板上上升的蒸气组成与下降的液体组成呈平衡关系，满足平衡关系式：体组成呈平

36、衡关系，满足平衡关系式：xxy) 1(1 对于精馏段相邻两块塔板间上升蒸气与下降液体组成满足精对于精馏段相邻两块塔板间上升蒸气与下降液体组成满足精馏段操作线方程：馏段操作线方程：111RxxRRyDnn武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件步骤步骤1Dyx111(1)yxy2111DxRyxRR222(1)yxy3211DxRyxRR平衡关系平衡关系操作关系操作关系平衡关系平衡关系操作关系操作关系 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件对饱和液体进料，若：对饱和液体进料，若：精馏段理论板数：精馏段理论板数：n-1以下计算采用提馏段操作线，因为：以下计算采用提

37、馏段操作线，因为：结束。提馏段理论板数：结束。提馏段理论板数：m-1nFxx1nxx21WLqFWyxxLqFWLqFW222(1)yxymWxx操作关系操作关系平衡关系平衡关系武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件2、图解法、图解法1）操作线的作法）操作线的作法（1）做精馏段操作线）做精馏段操作线（2）做提馏段操作线）做提馏段操作线通过点通过点c(xw ，xw)通过点通过点a(xD ，xD)，b(0，xD/R+1)11RxxRRyDWqFLWxxWqFLqFLyW1RxDy yx xWC（x xw，x xW）abx武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件两操

38、作线的交点可由联立两操作线方程而得：两操作线的交点可由联立两操作线方程而得：DDxLxVyWWxxLyV)()()(WDWxDxxLLyVVFWDFxWxDxqFLLFqVV) 1( 两式相减：两式相减：整理得：整理得：11Fxqyxqq在在x-y图中，为图中，为线性关系线性关系，其斜率为，其斜率为 q/（q-1），），截距为截距为-xF/(q-1)，通过点，通过点e （xF ，xF ）。）。此式称为此式称为 q线方程线方程或或进料方程进料方程，为代表两，为代表两操作线交点的轨迹方程。操作线交点的轨迹方程。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件1、作平衡线（、作平衡线（x-y

39、图）和对角线图）和对角线1RxDy yx xWC（x xw，x xW）x xFx xDde（x xF，x xF）ab12345x2、作精馏段操作线、作精馏段操作线过（过（0，xD）作垂直线交对角线于）作垂直线交对角线于a点，在点，在y轴上找截距为轴上找截距为xD/（R+1）的）的b点，直线点，直线ab即为精馏段操作线。即为精馏段操作线。3、作进料线、作进料线过（过（0，xF）作垂直线交对角线于）作垂直线交对角线于e点，过点，过e点作斜率为点作斜率为q/（q-1）的直线交）的直线交ab于于d点，点，ed即为进料线。即为进料线。4、作提馏段操作线、作提馏段操作线过（过（0，xW）作垂直线交对角线于

40、）作垂直线交对角线于c点，连接点，连接c、d两点即得两点即得提馏段操作线提馏段操作线cd。5、画直角阶梯，求理论塔板数、画直角阶梯，求理论塔板数从从a点开始，在平衡线与两操作线之间作水平线和铅垂线构成的阶梯，直到铅垂线跨过点开始，在平衡线与两操作线之间作水平线和铅垂线构成的阶梯，直到铅垂线跨过c点为止，阶梯数减一即为精馏过点为止，阶梯数减一即为精馏过程所需理论塔板数（不含再沸器）程所需理论塔板数（不含再沸器）2）图解方法）图解方法武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（4）进料热状况对）进料热状况对q线及操作线的影响线及操作线的影响 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化

41、工原理电子课件11qxxqqyF进料线方程进料线方程(q线方程线方程)xy yxFe（x xF，x xF）、冷液进料，、冷液进料， q1，K1，q线线 、泡点进料，、泡点进料， q=1，K=，q线线 、气液混合进料，、气液混合进料，0 q1，K0，q线线 、饱和蒸气进料，、饱和蒸气进料， q=0，K=0，q线线 、过热蒸气进料，、过热蒸气进料， q0，0K1，q线线精馏段操作线、提馏段操作线和进料线三条直线精馏段操作线、提馏段操作线和进料线三条直线交于一点交于一点d同理，同理，d点的坐标均满足三线方程。点的坐标均满足三线方程。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 武汉理工大

42、学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件3）适宜的进料位置）适宜的进料位置 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件例例16 用一常压操作的连续精馏塔分离含苯为用一常压操作的连续精馏塔分离含苯为0.44（摩尔分率，下同）的苯（摩尔分率，下同）的苯甲苯混合液，要求塔顶产品中含苯不低于甲苯混合液，要求塔顶产品中含苯不低于0.975，塔底产品中含苯不高于，塔底产品中含苯不高于0.0235。操作回流比为操作回流比为3.5。试用图解法求以下两种进料情况时的理论板层数及加料板位。试用图解法求以下两种进料情况时的理论板层数及加料板位置。置。 （1）原料液为）原料液为20的冷液体；的冷液

43、体； （2）原料为液化率等于）原料为液化率等于1/3的气液混合物。的气液混合物。 已知数据如下：操作条件下苯的汽化热为已知数据如下：操作条件下苯的汽化热为389kJ/kg；甲苯的汽化热为甲苯的汽化热为360kJ/kg。苯甲苯混合液的气液平衡数据及苯甲苯混合液的气液平衡数据及t-x-y图见例图见例11和图和图11。解：解：武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（1）20的冷液进料的冷液进料绘制平衡线与对角线，确定绘制平衡线与对角线，确定做精馏段操作线做精馏段操作线做做q线线,DDFFWWa xxe xxc xx0.9750.21713.5 1DxR0.44 389 780.56

44、 360 9231900/mrkJ kmol1 10.4493932056.52FxCCC由图 查出时溶液的泡点为平均温度苯和甲苯的比热为1.84kJ/(kg.)武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件1.84 78 0.44 1.84 92 56158/()pmckJkmolC158(9320)319001.36231900pmmmctrqr 1.3623.7611.362 1qq做提馏段操作线做提馏段操作线从从a点开始画梯级点开始画梯级武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（2）气液混合物进料）气液

45、混合物进料1 3q 1 30.511 3 1qq 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件第第4讲小结讲小结 精馏过程理论板数的计算途径是交替使用操作线方程与平衡关系，在计算精馏过程理论板数的计算途径是交替使用操作线方程与平衡关系，在计算过程中使用平衡关系的次数便是理论板数。当计算中的液相浓度近似等于进过程中使用平衡关系的次数便是理论板数。当计算中的液相浓度近似等于进料组成时，要更换提馏段操作线方程，而这块理论板便是最佳加料板。分凝料组成时，要更换提馏段操作线方程，而这块理论板便是最佳加料板。分凝器与再沸器中的气、液相组

46、成呈平衡关系，应各视为一块理论板。器与再沸器中的气、液相组成呈平衡关系，应各视为一块理论板。 进料热状态进料热状态q会影响提馏段操作线位置，进而影响为完成规定分离要求所会影响提馏段操作线位置，进而影响为完成规定分离要求所需的理论板数及加料板位置。是一个需综合考虑才能确定的设计参数。需的理论板数及加料板位置。是一个需综合考虑才能确定的设计参数。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.4.5 回流比的影响及其选择回流比的影响及其选择 （1）全回流的特点）全回流的特点v操作线与对角线重合操作线与对角线重合v理论板数最少理论板数最少v没有进料、没有产品没有进料、没有产品（2）应用）

47、应用v工厂开工阶段，工厂开工阶段，目的是：润湿塔板或填料，提高分离能力，目的是：润湿塔板或填料，提高分离能力，使系使系统尽快达到稳态统尽快达到稳态v操作出现意外而产品纯度低于要求纯度时，先采取全回流操作，然后操作出现意外而产品纯度低于要求纯度时，先采取全回流操作，然后再进行部分回流操作。再进行部分回流操作。v科学研究，测定塔板效率科学研究，测定塔板效率0LLRD 1、 全回流和最少理论板数全回流和最少理论板数nnxy1操作线方程为 F=0,D=0,W=0 精馏塔顶上升的蒸气经过冷凝后，全部回到塔内，这种方操作方式称为精馏塔顶上升的蒸气经过冷凝后，全部回到塔内，这种方操作方式称为全回流全回流。

48、武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件y yx xWx xDx x图解法图解法(3)理论板层数的计算理论板层数的计算最少理论塔板数的计算方法最少理论塔板数的计算方法:逐板计算法、图解法和解析法逐板计算法、图解法和解析法武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件)(BABABBAABBAABBAAABxxyyxyxyxppxppxpxpnnxy1操作线方程为：解析法解析法武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 上两式称为上两式称为芬斯克方程式芬斯克方程式minlg1lgABBADWmxxxxN min1lg11lgWDDWmxxxxN 对于双组分

49、溶液对于双组分溶液武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件1minRxDy yx xFx xD（x xF，x xF）ega（xD，xD）x xeyeye 两操作线向平衡线靠近，所需理论塔板数两操作线向平衡线靠近，所需理论塔板数增多。当回流比减小到使两操作线交点正好落压增多。当回流比减小到使两操作线交点正好落压在平衡线上在平衡线上e点处时，所需理论塔板数为无穷多。点处时，所需理论塔板数为无穷多。N= 恒浓区（夹紧区），恒浓区（夹紧区），d点称为夹紧点。点称为夹紧点。 此时对应的回流比为此时对应的回流比为最小回流比最小回流比Rmin武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电

50、子课件求法：求法：（1）作图法）作图法正常的平衡曲线：正常的平衡曲线： q线与平衡线的交点线与平衡线的交点e (xq，yq)minmin1DqDqxyRRxx1minRxDy yx xFx xD（x xF，x xF）ega（xD，xD）x xeyeyex武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 对于某些不正常的平衡曲线，象乙醇和对于某些不正常的平衡曲线，象乙醇和水的平衡曲线，具有下凹部分。水的平衡曲线，具有下凹部分。当操作线与当操作线与q线的交点尚未落到平衡线线的交点尚未落到平衡线上之前，操作线已经与平衡线相切于上之前，操作线已经与平衡线相切于h点，此时恒浓区出现在点点，此时恒

51、浓区出现在点h附近，对应附近，对应的回流比为最小回流比。的回流比为最小回流比。：由点：由点a（xD、xD）向平衡）向平衡线作出切线，由切线的截距线作出切线，由切线的截距xD/(Rmin+1)求求Rmin。不正常平衡曲线不正常平衡曲线: :武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件不正常的平衡线：切线与不正常的平衡线：切线与q线的交点线的交点 minmin1DdDdxyRRxx武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（2）解析法（理想物系）解析法（理想物系）1 (1)xyx11Fxqyxqq联立平衡线与联立平衡线与q线方程：线方程：xq，yqminmin1DqDqx

52、yRRxxminDqqqxyRyx即即武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件FDFDxxxxR1)1 (11minqDqDxxxxR1)1 (11min11111minFDFDyxyxR1）、泡点进料）、泡点进料xq=xF，则，则最小回流比最小回流比Rmin为：为：2）、饱和蒸气进料）、饱和蒸气进料yq=yF，则，则最小回流比最小回流比Rmin为：为：武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件3、适宜回流比的选择、适宜回流比的选择对于一定的分离任务：对于一定的分离任务： 、若采用全回流操作，、若采用全回流操作，R= ，虽然理论塔板数最少，但得不到产品。虽然理论塔

53、板数最少，但得不到产品。 、若采用最小回流比操作，需要的理论塔板数为无穷多，不现实。、若采用最小回流比操作，需要的理论塔板数为无穷多，不现实。 实际的回流比，应选在两个极限实际的回流比，应选在两个极限Rmin和和之间，适宜的回流比应根据经济衡算决定，即之间，适宜的回流比应根据经济衡算决定，即操作费用和设备费之和为最低时的回流比操作费用和设备费之和为最低时的回流比作为作为适宜的回流比适宜的回流比武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件设备费用设备费用: 设备的类型和材料一经确定，此项费用主要决于设备的尺寸。设备的类型和材料一经确定，此项费用主要决于设备的尺寸。 当当R=Rmin时

54、，时，N=，设备费为无穷大，设备费为无穷大. 当当RRmin时，时，N由由迅速下降为有限层数，设备费下降较快迅速下降为有限层数，设备费下降较快. R继续增大，导致塔内上升蒸气量增加继续增大，导致塔内上升蒸气量增加,设备尺寸加大，设备费用又上升设备尺寸加大，设备费用又上升.、操作费用：、操作费用：主要取决于再沸器的蒸气消耗量和冷凝器中冷却水的消耗量，此两项又取决主要取决于再沸器的蒸气消耗量和冷凝器中冷却水的消耗量，此两项又取决于塔内上升的蒸气量。于塔内上升的蒸气量。 V=（R+1）D，V=V+（q-1）FV和和V与回流比与回流比R成正比，成正比，R增加，操作费用呈直线上升，使得再沸器、冷凝器的热

55、负荷增加，增加，操作费用呈直线上升，使得再沸器、冷凝器的热负荷增加，而且塔径而且塔径d也应相应增大，设备费亦随之增大。也应相应增大，设备费亦随之增大。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 总费用总费用 = 操作费操作费+设备费设备费 总费用最低时对应回流比为总费用最低时对应回流比为最适宜回流比最适宜回流比。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件根据经验一般取根据经验一般取例例17: 根据例根据例16的数据，试求实际回流比为最小回流比的倍数。的数据，试求实际回流比为最小回流比的倍数。解：解：minDqqqxyRyxR=（1.12）Rmin武汉理工大学化工原理

56、电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（1）冷液进料）冷液进料（2）气液混合物进料）气液混合物进料0.53qx 0.74qy min0.9750.741.120.740.53Rmin3.53.11.12RRmin3.1RR0.29qx 0.51qy min0.9750.512.110.51 0.29Rmin3.51.72.11RRmin1.7RR武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件3）最小回流比的影响因素）最小回流比的影响因素进料热状态参数进料热状态参数分离要求分离要求平衡关系平衡关系武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件5.4.6 捷算法求理论板层数捷算法

57、求理论板层数1、吉利兰（、吉利兰（Gilliland）图图 吉利兰图是描述操作回流比吉利兰图是描述操作回流比R、最小回流、最小回流比比Rmin、理论塔板数、理论塔板数N及最少理论塔板数及最少理论塔板数Nmin四者之间关系的经验关联图。四者之间关系的经验关联图。 吉利兰关联图由双对数坐标绘制，纵坐吉利兰关联图由双对数坐标绘制，纵坐标中标中N和和Nmin均包含再沸器。均包含再沸器。 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 吉利兰（吉利兰（Gilliland）图图 八个物系，组分数目八个物系，组分数目211，五种进，五种进料热状况，料热状况，Rmin为为0.53 7.0 ，相对，相

58、对挥发度为挥发度为1.264.05，理论板数，理论板数2.4 43.1武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件 回归公式回归公式0.5458270.5914220.002743/YXXmin1RRXRmin2NNYN0.010.9X2、计算步骤、计算步骤计算计算Rmin，并选择并选择R；计算计算Nmin；计算横坐标，查图得到纵坐标，计算计算横坐标，查图得到纵坐标，计算N；确定进料板位置。确定进料板位置。 简捷计算法尽管简便、快捷，但误差较大，简捷计算法尽管简便、快捷，但误差较大，该法常用于精馏塔的初步设计计算。该法常用于精馏塔的初步设计计算。武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工

59、大学化工原理电子课件例例18 利用例利用例17的结果，用简捷法重算例的结果，用简捷法重算例16中气液混合物进料时的理论板数中气液混合物进料时的理论板数和加料板位置。和加料板位置。 塔顶、进料和塔底条件下纯组分的饱和蒸汽压列于本题附表中。塔顶、进料和塔底条件下纯组分的饱和蒸汽压列于本题附表中。 0.975Dx 0.44Fx 0.0235Wx3.5R min2.11R解解：武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（1）平均相对挥发度）平均相对挥发度（2）全塔理论板数）全塔理论板数001042.640ADBpp146.72.4560F226.62.3397.3W2.6 2.332.4

60、6mDW min1lg11lgWDDWmxxxxN52. 245. 26 . 2FDm0.9751 0.0235lg1 0.9750.023517.21lg2.46 武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件min3.52.110.3113.5 1RRRmin0.372NNN13N min0.5458270.591422 0.310.002743/0.310.3712NNN13N 查吉利兰图查吉利兰图或用回归公式或用回归公式武汉理工大学化工原理电子课件武汉理工大学化工原理电子课件（3）精馏段理论板数）精馏段理论板数min1lg11lgDFDFmxxxxN0.9751 0.44lg